WireSense in der Anwendung

Im automobilen Rohbau gibt es für den globalen Technologie- und Mobilitätskonzern Magna keine Kompromisse – man setzt auf höchste Qualitätsstandards. Zwar werden im österreichischen Graz durch die Bank Fahrzeuge aus dem Premiumsegment im Kundenauftrag gefertigt, doch wie alle Zulieferer und OEMs muss sich auch Magna mit Fertigungstoleranzen auseinandersetzen. Als es im November 2018 an die Inbetriebnahme einer neuen Fertigungslinie ging, standen knifflige Roboterschweiß-Herausforderungen im Raum. Um Bindefehler im Bereich der Dünnblechanwendungen zu vermeiden, gilt es höchste Präzision in der Fügetechnik sicherzustellen. Die Lösung fand man in Fronius WireSense.

Die Inbetriebnahme ihrer neuen Fertigungslinie verlangte von Magnas Fügetechnikspezialisten große Kreativität: Bevor die Produktion in Serie gehen konnte, war es die Aufgabe extern beauftragter Systemintegratoren, die Bauteile mittels hochmoderner Roboteranlagen in die vorprogrammierte Schweißposition zu befördern. Doch die zur Schweißung exakt notwendige Blechkantenposition zu erreichen zeigte sich in der Vorserie noch als Herausforderung. Natürlich war den Verantwortlichen bei Magna klar: Gerade im Dünnblechbereich ist hundertprozentige Präzision in der Fügetechnik Grundvoraussetzung. Bevor also Kundenfahrzeuge vom Band laufen konnten, musste eine perfekte Anbindung von Unter- und Oberblechen gewährleistet sein.

Fertigungstoleranzen

„Wir arbeiten hier unter anderem mit Robotersystemen ‚On The Fly‘“, erläutert Sonja Schober, Fügetechnik-Teamleiterin der Business Unit Painted Body von Magna Steyr. Das gesamte Fahrzeugheck ist hier also nicht wie herkömmlich eingespannt. Der eine Roboter, ein sogenannter Geogreifer, nimmt das Bauteil an den dafür vorgesehenen Punkten rückseitig auf und bewegt es in die beabsichtigten Lagen. Der andere Roboter führt den Schweißbrenner in die entsprechenden Schweißpositionen dagegen. Doch genau hier musste man sicherstellen, dass die exakt vorgesehenen Maße eingehalten werden: „Zwar sind hinsichtlich der genauen Bauteilposition von Haus aus diverse Toleranzen vorgesehen. Allerdings bringen auch die verwendeten Roboter spezifische Toleranzbereiche mit sich – bei einem Schweißroboter redet man zum Beispiel von der Achsentoleranz. Wenn also die schlechtesten Bedingungen zusammenkommen beziehungsweise Bauteiltoleranz und Robotertoleranz voll ausgeschöpft im Minus- oder Plusbereich liegen, kann das zum Teil zu Schwierigkeiten führen“, fährt Schober fort. „Unter Umständen liegt die zu fügende Kante bis zu einen Millimeter vor oder hinter der Schweißdraht-Stickout-Position. In Folge können wiederum Bindefehler wie unzureichender Einbrand oder mangelnde Anbindung von Unter- und Oberblech entstehen.“ Werner Karner, Leiter des Fügetechnikzentrums bei Magna Steyr, fügt ergänzend hinzu: „Im Automobilbau handelt es sich außerdem zumeist um Dünnblechanwendungen. Wenn man mit der Schweißnaht komplett daneben liegt, ist auch schnell Durchbrand erzielt. Bevor wir also mit der Fertigung in Serie gehen konnten, galt es unsere Systeme in diesem Bereich zu optimieren.“

Anbindungsschwierigkeiten in der vollautomatisierten Fügetechnik treten zumeist völlig unvorhergesehen auf. Zur Qualitätssicherung bedarf es daher in der Produktion einer generell exakten Prüfung: „Normalerweise teachen wir den Roboter auf ein Bauteil, und dann funktioniert das auch. Aus dem Nichts könnte trotzdem eine Schweißnaht kommen, die wieder Nacharbeit erfordert. In diesem Fall müssen wir analysieren, worin die Ursachen dafür liegen“, erklärt Marco Miersch, Instandhaltung Mechanik bei Magna Steyr, anschaulich. „Natürlich gibt es in jeglicher Produktion noch vielfach weitere Ursachen, die minimale Abweichungen hervorrufen, weswegen vorausgeplante Fertigungstoleranzen unbedingt notwendig sind: Es handelt sich also um gewollte und daher einkalkulierte Spielräume – man spricht hier auch vom lebenden Toleranzausgleich“, ergänzt Schober. „Eine Konstruktion auf null Toleranz auszulegen ist definitiv unmöglich! Daher sind wir darauf angewiesen, zuverlässig die Blechkante zu finden beziehungsweise die etwaigen Spaltmaße zu detektieren. Auf diese Weise können Bindefehler in der Fügetechnik vermieden werden.“

Für den Produktionsalltag bedeutet das: „Wir sichten alle Bauteile, vergleichen sie miteinander, teachen im Zweifel jeden Schweißnahtverlauf am Roboter neu und passen die Parametrierung der Stromquellen an“, bestätigt Miersch die Vorgehensweise. Den zusätzlichen Aufwand an Arbeitszeit und -kraft sowie das eventuelle Plus an Material nehmen wir bereitwillig in Kauf, um absolute Präzision zu gewährleisten. Diese Form der lückenlosen Qualitätskontrolle hat für uns als Premiumhersteller höchste Priorität.“

Bauteilprüfung durch optische Messsysteme

Will man ständig anfallende Nacharbeit – in Form von stückweiser Sichtkontrolle und manuellem Nachschweißen – umgehen, als auch Bauteilausschuss vermeiden, muss demnach im Vorfeld der Schweißung die korrekte Position der Bauteile sichergestellt sein. Die Möglichkeiten, dieser speziellen Roboter-Schweißherausforderung zu entgegnen, sind vielfältig. Doch wie ist das Problem für hohe Stückzahlen in überwiegend vollautomatisierter Fertigung konkret zu lösen? Bezüglich diverser Kamerasysteme, die den Roboter zur Positionskorrektur „sehend“ machen sollen, meint Karner: „Die Brenner sind einerseits sehr lang. Wenn hinten noch eine Kamera positioniert ist, sieht diese nicht weit genug nach vorne. Zudem stehen alle Hersteller im Rohbau vor der gleichen Herausforderung: Es wird immer enger und verwinkelter! Die Zugänglichkeit ist also mehr und mehr eingeschränkt, wobei optische Messhilfen im wahrsten Sinne des Wortes an ihre Grenzen stoßen.“

Doch Magna strebt nicht nur nach höchsten Qualitätsansprüchen. Auch hinsichtlich modernster Fertigungsstandards im Automobilbau sollen Maßstäbe gesetzt werden. Mit der Inbetriebnahme der Fertigungslinie von 2018 möchte Karner neue Wege gehen: „Mir war klar, dass die Automobilbranche langfristig irgendetwas benötigt, das den Roboter bei der Kantenfindung unterstützt. Aufgrund unserer langjährigen und hervorragenden Kooperation mit den Technikern und der Entwicklung von Fronius habe ich die Frage in den Raum gestellt, ob sie vielleicht eine Lösung parat hätten? Die Antwort folgte auf den Fuß: Es gäbe da vielleicht etwas …“

» … dass wir die Kante und somit die genaue Schweißposition zuverlässig erwischen, muss also Grundvoraussetzung sein! «

Fronius-Lösung: WireSense

Die Fronius Anwendungstechnik konnte tatsächlich weiterhelfen: „Unser Ansprechpartner wusste offenbar Bescheid, dass die Möglichkeit einer zum Sensor umfunktionierten Drahtelektrode auf der intelligenten Stromquelle TPS/i bereits hinterlegt war. Beziehungsweise seitens der Fronius R&D offenbar erfolgreiche Versuche in der Vergangenheit stattgefunden hatten. Außerdem sind die Stromquellen bei uns für den CMT-Prozess konfiguriert – es waren also alle Voraussetzungen für einen ‚Feldversuch‘ gegeben“, schildert Miersch die konstruktive und lösungsorientierte Zusammenarbeit.

„Fronius hatte die Erfindung offenbar seit geraumer Zeit in der Schublade liegen, doch es war wohl bis dato noch nicht spruchreif geworden“, erklärt Karner. „Durch unsere langjährig vertrauensvolle Zusammenarbeit war es schließlich für beide Seiten vorstellbar, einen Prototyp in unserer Fertigung zu installieren“, was letztlich der neuen Sensor-Technologie zur Marktreife verhelfen sollte.

WireSense und die Taktzeiten

„Seit dem Einsatz von WireSense findet der Roboter zuverlässig die Blechkante und passt die Schweißbahn hundertprozentig genau den jeweiligen Gegebenheiten an“, zeigt sich Schober begeistert. „Deshalb haben wir nun hervorragende, immer gleichbleibende Einbrandstabilität und erzielen stets die perfekte Anbindung von Ober- und Unterblech“, bekräftigt Miersch. In besagter Fertigungslinie von 2018 verwendet Magna WireSense bisher trotzdem nur an einem Einzelbauteil, dem sogenannten Querträger-ÜRSS (Überrollschutz-System): „Hier hatten wir am meisten Luft, weshalb es sich anbot, das Verfahren testhalber einzusetzen. Außerdem nimmt WireSense durch die Suchfahrt im Vorfeld der Schweißung zusätzliche Zeit in Anspruch. Da wir bei diesem Bauteil mit einem Puffer arbeiten, haben eventuelle Verzögerungen in den Taktzeiten keine Auswirkungen auf die Gesamtfertigung.“

WireSense auf alle Schweißnähte anzuwenden, bedürfe bereits im Vorfeld der Inbetriebnahme neuer Produktionslinien einer gänzlich anderen Planung: „Es war uns bisher nicht möglich, diese revolutionäre Funktion auf die gesamte Produktion auszuweiten. In einer komplett installierten Fertigung sind ja die Taktzeiten der einzelnen Stationen punktgenau berechnet – ein nachträglich flächendeckender Einsatz würde das ganze System über den Haufen werfen. Bei diesem Heckbauteil beträgt die geplante Taktzeit zum Beispiel fünf Minuten. Jeder Roboter hat dabei einen gewissen Bereich der Kollisionserkennung. Wenn ein Roboter gerade mit WireSense arbeitet und deshalb länger braucht, kann der andere auch nicht weiterarbeiten. Automatisch summiert sich das Ganze, und im Enddefekt würde man statt fünf bei etwa zehn Minuten Bauzeit liegen.“

Zudem gab es auch bei den WireSense-Einstellungen Optimierungsbedarf, der am Testbauteil, dem Querträger-ÜRSS, zunächst realisiert werden konnte: „Als wir von der Option WireSense erfahren haben, wurde mit etwa drei Sekunden pro Suchfahrt gerechnet – im Enddefekt waren es dann allerdings acht Sekunden“, führt Schober aus. Die Fronius Servicetechniker ließen diese Tatsache so nicht stehen und beleuchteten das Problem im Detail. Letztlich musste die Roboterprogrammierung perfektioniert werden. In diesem Bereich ist fundiertes Wissen eine Grundvoraussetzung, um die enormen Vorteile eines Drahtsensors vollumfänglich ausspielen zu können. Es ging darum, die Roboter-Geschwindigkeiten der einzelnen Bahnen einer Suchfahrt exakt festzulegen. „Dabei wurden durch Programmierungsänderungen manche Wege zum Teil enorm beschleunigt. Letztlich führte das dazu, dass wir mittlerweile bei den veranschlagten drei Sekunden angekommen sind“, bestätigt Schober.

Erhebliche Zeitersparnis trotz Mehraufwand

„Trotz aller Optimierung bleibt es bei dem Grundsatz: Ein System hält das andere auf“, versichert Karner. „Wir haben alleine im Hinterbau dieser Karosse über hundert Schweißnähte. Drei Sekunden Suchfahrt pro Naht – das würde natürlich einen gewaltigen Unterschied ausmachen!“ Miersch ergänzt: „Um WireSense gewinnbringend einsetzen zu können, gilt es also im Vorfeld einer Produktionslinienplanung die einzelnen Nähte zu sondieren, um somit einerseits Fehler und andererseits damit einhergehende Nacharbeit zu vermeiden. Darüber hinaus geht es auch um Nähte, die aufgrund ihrer Sicherheitsanforderungen vielleicht als kritisch zu erachten sind.“

„Wird bei der Auswahl der Nähte genau abgewogen, kann WireSense – trotz zeitlichem Mehraufwand im Vorfeld – im Nachhinein zu deutlicher Zeit-, aber auch Kostenersparnis führen. Zwar werden einzelne Taktzeiten durch die Suchfahrten länger, die Anlagenverfügbarkeit unterm Strich jedoch deutlich erhöht. Das ergibt sich hauptsächlich aus der nahezu hundertprozentigen Reduktion teurer Nacharbeit“, ist sich der Leiter des Fügetechnikzentrums Karner sicher.